阻燃沥青路面材料在隧道火灾中对人员安全的CFD模拟评估与优化研究

本研究针对隧道沥青路面易燃性导致火灾时烟雾毒性加剧的问题，通过3D CFD建模和Evac疏散模拟，对比分析传统与阻燃(FRs)沥青混合料在100 MW重型车辆火灾中的表现。结果表明，FRs可延迟路面引燃时间1分钟，减少CO/CO2浓度，降低23%潜在伤亡人数，为隧道安全设计提供新思路。

　　

隧道作为现代交通网络的关键节点，其火灾安全一直备受关注。传统沥青路面虽具有优良的机械性能，但在高温条件下易燃烧并释放大量有毒烟雾，严重威胁人员逃生和消防救援。欧洲指令2004/54/EC虽对隧道结构耐火性提出要求，却未明确路面材料的防火标准。近年来，实验室研究证实阻燃剂(Flame Retardants, FRs)可提升沥青混合料的着火温度(T_ignition)并减少烟雾排放，但这些结论缺乏真实火灾场景的流体动力学验证。

意大利萨莱诺大学(University of Salerno, Italy)土木工程系的Ciro Caliendo团队在《CMES - Computer Modeling in Engineering and Sciences》发表研究，首次通过3D计算流体力学(CFD)模拟结合疏散模型，量化评估FRs改性沥青在900米双向隧道100 MW重型货车(HGV)火灾中的安全效益。研究采用Fire Dynamics Simulator(FDS)软件建立火灾模型，通过Evac模块模拟人员逃生过程，对比分析自然通风与机械通风下传统和阻燃沥青路面的燃烧特性差异。

关键技术包括：(1)基于特征火源直径(D*)的网格优化，确定0.5m基础网格与0.25m燃烧区加密网格；(2)校准FDS模型与小型隧道实验数据误差<5%；(3)设置HRR_max=100 MW的HGV火源曲线；(4)定义沥青引燃阈值(传统250°C/阻燃420°C)；(5)整合CO/CO₂毒性剂量模型(FED_{toxic_substances})评估人员暴露风险。

表面温度分布

阻燃沥青使路面引燃延迟至火灾后3分钟，燃烧面积减少58%(机械通风)和11%(自然通风)，最高温度降低95-98°C。热气流受机械通风推动，上游燃烧范围扩大至24米，显著高于自然通风的7米。

环境毒性分析

FRs使CO浓度在火灾10分钟时降低36%(175米范围内)，CO₂超标区域缩短30米。但CO仍全程超过1200ppm安全限值，显示车辆燃烧仍是主要毒源。

疏散安全

阻燃材料使FED_{toxic_substances}≤0.3的逃生成功率提升2.6%(机械通风)和2.1%(自然通风)，对应多挽救3-4人。消防员入口侧CO/CO₂浓度虽小幅下降，但仍超出作业安全标准。

该研究证实FRs能有效延缓沥青燃烧并改善隧道环境，但需结合主动通风系统才能显著提升安全性。成果为修订隧道防火规范提供数据支持，未来需通过全尺寸实验验证模拟参数，并开展不同FRs配方的成本效益分析。这项工作填补了沥青燃烧对人员安全影响的量化研究空白，推动隧道工程从"结构防火"向"材料-环境-人员"协同安全理念发展。